暖通空调ＨＶ＆ＡＣ ２０１５年第４５卷第２期１
（组稿专家 李安桂 李光华檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯檯殔
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水电暖通空调技
术与工程设计
水电工程地下高大厂房 通风空调气流组织及 缩尺模型试验进展
西安建筑科技大学 李安桂☆
长江勘测规划设计研究有限责任公司 李光华
摘要 介绍了水电站地下发电机主厂房通风气流组织的主要形式，包括分层空调、上（顶）送风、下送风和串联直流式通风。介绍了水电工程通风空调气流组织模型试验拟解决的关键技术点、模型试验理论和相似比例尺、模型设计问题、水电厂房火灾排烟模型试验，以及模型试验测量ＰＩＶ技术，
总结了国内典型水电站通风气流组织模型试验和火灾排烟模型试验情况。关键词 水电站 地下厂房 通风气流组织 模型试验 火灾排烟 测量技术
Ａｄｖａｎｃｅｍｅｎｔ ａｂｏｕｔ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄｒｅｄｕｃｅｄ－ｓｃａｌｅ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｌａｒｇ
ｅｐｌａｎｔｓ ｉｎ ｈｙｄｒｏｐ
ｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎｓＢｙ Ｌｉ Ａｎｇｕｉ★
ａｎｄ Ｌｉ
ＧｕａｎｇｈｕａＡｂｓｔｒａｃｔ Ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍｏｄｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｎｄｅｒｇ
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ａｎｄ ｓｅｒｉｅｓｕｎｉｆｌｏｗ ｔｙｐｅ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ．Ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｏｉｎｔｓ，ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｉｍｉｌａｒ ｓｃａｌｅ，ｍｏｄｅｌｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ，ａｎｄ ｆｉｒｅ ｓｍｏｋｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ＰＩＶ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｓｕｍｓ ｕｐ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ ａｎｄ ｆｉｒｅ ｓｍｏｋｅ ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｔｅｓｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｙｐｉｃａｌ ｈｙｄｒｏｐ
ｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｓｔａｔｉｏｎ，ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐｌａｎｔ，ｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎ ａｉｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｍｏｄｅｌ ｔｅｓｔ，ｆｉｒｅ ｓｍｏｋｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｉｑ
ｕｅ★Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
ｏｆ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ’ａｎ，Ｃｈｉｎａ☆李安桂，
男，１９６３年９月生，博士，教授，博士生导师７１００５５
西安建筑科技大学环境与市政工程学院（０２９）８２２０５９５８
Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉａｇ
＠ｘａｕａｔ．ｅｄｕ．ｃｎ收稿日期：２０１４－０８－０４修回日期：２
０１５－０１－０８０ 引言
中国是世界公认的水电大国，截至２０１３年底，我国水利水电工程的总装机容量已突破２．８亿
ｋＷ，水电站逾４．５万座，
居世界第一位［１－
２］。水电是我国能源体系的重要组成部分。一旦水电工程
地下厂房热湿环境恶化，有可能导致发电设备故障，造成重大经济损失，甚至危及生命安全，并直接威胁区域电网和国家能源安全。大型水电工程地下洞室中热湿环境调控问题，既是水电行业亟待解决的重大技术难题，也是国防和人防工程的大型地
下空间有待解决的普遍性技术难题［
３］
。水电站地下厂房作为发电的主体建筑，是整个
水利枢纽工程的核心部位。如何根据水利水电工程的运行特点，从保障地下厂房机电设施安全运行及工作人员对工作环境舒适度的要求出发，提供一个能满足水电工程温湿度和卫生安全要求的运行环境是水电暖通空调领域科研、设计及设备制造业
的重要任务［４］
。调查数据表明，室内空气品质直接
影响人们的生活、健康状况及劳动生产率，因而成为影响生产力的要素。通风空调建筑气流组织的
２ 暖通空调ＨＶ＆ＡＣ ２０１５年第４５卷第２期水电暖通空调技术与工程设计
优劣直接决定室内空气的温度、速度、洁净度等是否符合人们生活或者生产工艺环境的要求，气流组织对改善室内空气品质起着最为直接、关键的作用。因此，高效、合理的气流组织对于改善室内空气品质、控制室内空气污染物水平、保证人体健康和舒适有着至关重要的意义。
气流组织作为保障室内热湿环境的主要手段，受到了国内外重视。从２０世纪初至今近一个世纪以来，人们对气流组织的研究取得了较大进展。气流组织形式主要分为两种：以稀释原理为基础的传统混合通风和以浮力控制为动力的近代置换通风［５］。
混合通风的特点是速度高、动量大和湍流送风，因在建筑空间上容易布置，不占用下部建筑空间（工作区），至今仍然广泛使用。混合通风是一种“稀释通风”，工作区一般处于回风或者排风环境中，通风效率、卫生条件相对较差。与之相比，置换通风的特点是风速低、动量小，空气以低流速流出，沿地板蔓延到全室，利用空气密度差形成由下而上的通风气流，工作区接近送风环境。这两种通风模式主要区别在于：混合通风是基于建筑空间的考虑，而置换通风是基于人体健康和能源效率的考虑。这两种气流组织形式在水电工程中均得到了应用。
鉴于水电站主厂房具有空间高大（主厂房高度、宽度及长度均大）和发电机、励磁柜、主变压器及母线等工艺设备热源的复杂性，空间内气流组织问题一直是水电暖通专业重点研究的课题之一。为了使设计方案更加贴合工程实际，在工程设计的前期，一般可通过模型试验等方法验证设计方案，发现设计中的缺陷和不足，并进行调整、改进和完善。多年来，水电站通风空调工程模型试验已成为水电暖通行业进行通风空调气流组织设计的重要手段和工具。
１ 水电站地下发电机主厂房气流组织
水电站主厂房高度一般可达２０多ｍ，宽度为２０～３０ｍ，大型电站的长度达数百ｍ。水电站气流组织主要是为了解决厂房的通风、各个区域的温度和湿度调节、设备降温、废臭气排除及消防灭火后的烟气排除，以保障厂房内有良好的工作环境。水电站地下发电机主厂房主要的气流组织形式有以下几种［６］。１．１ 发电机层厂房分层气流组织
近年来我国一些水电站采用了分层空调气流组织。对于水电站发电机层这样的大空间，实际需要空调的往往仅为下部２～３ｍ高的工作区域，因此，可以采用分层空调方式，即利用一道空气幕，将厂房在高度上一分为二：空气幕下方为空调区，利用合理的气流组织对其进行空气调节，从而实现工艺和人员所需要的温湿度；空气幕的上方为非空调区，可根据该区域热负荷酌情采取一般通风排热措施或者不采取任何排热措施。分层空调气流组织主要利用了混合通风和热压浮力控制通风原理，可以节约１４％～５０％的冷量。葛洲坝水电站发电机层采用分层空调方式，有效地抵挡主厂房上部的热量向工作区转移，取得了良好的节能效果；长江三峡左岸水电站发电机层和岩滩水电站等也采用了分层空调方式。典型的分层空调在大空间两侧或单侧腰部设置送风喷口，下部同侧均匀设置回风口，运用多股平行非等温射流将空间隔断为上下两部分。
水电站分层空调气流组织具有以下特点：
１）与全室空调相比，节能显著，冷负荷可减少１４％～５０％，并且送风气流直接送至空调区，空调区的换气次数增加，单位体积的新风量增大，室内空气品质有所改善。因此，在高大厂房中，当厂房高度Ｈ≥１０ｍ，厂房容积Ｖ≥１ ０００ｍ３，空调区高度ｈ１与厂房高度Ｈ之比ｈ１／Ｈ≤１／２时，这种空调方式尤其值得推荐采用。
２）水电站宽度较大时（超过１８ｍ）建议采取双侧送风，这样送风气流的射程较短，射流落差及分层高度要小一些，可以节省能量，空调区的温度场也比较均匀。
３）只要送风气流能够在水电站厂房的中间搭界（双侧送风）或者能从厂房的一端到达另一端（单侧送风），就可以利用送风气流直接对厂房进行上、下分区，而不必专门设置空气幕，这样可以简化系统。当空调区分层高度仅为整个主厂房发电机层总高度的１／５左右时，节能效果比较显著。
４）对于冬、夏两用的分层空调系统，由于主厂房发电机层的空间特别高，在冬季，非空调区排热系统的进排风口如果关闭不严，下部空调区的烟囱效应就特别明显，容易造成下部的热空气往上跑，形成上热下冷的现象。
２０１５（２）李安桂，等：水电工程地下高大厂房通风空调气流组织及缩尺模型试验进展３
在分层空调设计中，合理设计和组织空气幕是实现分层空调设计的关键，从而最大限度减少非空调区向空调区的热转移。空气幕的实施同横向高速射流相似，但其风口应布置得更密更多一些，同横向送风射流一样，需要在厂房下部或中部设置贯穿全厂的风道和很多送风口。这种气流组织主要用于以夏季降温为主要目的的高大厂房（厂房上部热负荷较大）空调设计中。
１．２ 厂房上（顶）送风气流组织
该气流组织包括上送下排、横向射流、端部射流等气流组织形式，在水电站得到了广泛的应用。在我国水电站中如北京十三陵水电站、彭水水电站、二滩水电站和刘家峡水电站等均采用了顶送风方式。水电站地下主厂房的送风量很大，顶送风将送风管设于吊顶或侧墙内，避免大量占用有用空间，包括吊顶送风和侧送风（两端侧送和一端侧送）。龙羊峡水电站采用纵向端部射流，布置简便易行；二滩水电站采用顶拱多孔射流方式，刘家峡水电站采用双排机布置顶部高速射流方式，都取得了较好的效果。
厂房上（顶）送风气流组织具有以下特点：
１）对于高大厂房，采用厂房上（顶）送风气流组织，在送风量、出风面积不变条件下，使用不同形式的风口如圆形风口、矩形风口或正方形风口对气流组织最后的效果影响很小。
２）无论顶部送风还是上侧送风，由于混合通风的稀释、掺混作用，发电机层空间上下温差不大，即各高度上平均温度比较接近。这两种上送风方式的送风射流与热射流在上部空间相遇，在相遇流动过程中进行混合和能量交换，所以，在整个空间内温度分布比较均匀，这也是上部送风能量利用系数偏低的主要原因。
３）无论是顶部送风还是侧送风，其工作区温度的不均匀系数较小，即这两种方式水电站厂房工作区的温度分布都比较均匀。
４）吊顶送风时常采用单排或双排送风方式，这两种送风方式的温度、速度分布均可满足设计要求。但建议优先选用双排送风形式，双排送风可以使发电机层的空气速度、温度分布更均匀。
１．３ 厂房下送风气流组织
在我国已完成的水电站工程中，较少采用下送风形式，但在黄河小浪底水电站和古田一级水电站却采用了这种送风形式。厂房下送风气流组织具有以下特点：
１）良好的空气品质。由于下送风空调系统的送风口位于厂房的下部，送入的新风首先进入人的呼吸区，因而可以提高工作区的空气品质。
２）较大的节能潜力。下送风时仅考虑室内工作区的热湿负荷，无需顾及房间上部的热环境，因此，相当于降低了厂房热（冷）负荷，实现了节能。
３）需要架空地板设置送风管道或送风静压箱，可能造成空间浪费。此外，架空地板的管理与清洁是目前存在的一个较大问题，如果管理不善，架空地板得不到及时清洁，可能会对室内呼吸区的环境产生影响。
准置换通风气流组织———竖壁贴附通风气流组织（见图１）在某些场合可以替代传统“满堂灌”混合通风。竖壁贴附通风气流组织是一种介于
混
图１ 竖壁贴附通风气流组织原理
合通风、置换通风之间的通风模式，利用竖壁送风／射流的贴附效应，将送风直接输送到工作区，并沿地板扩散开来，产生空气湖现象，形成类似于置换通风的气流组织。竖壁贴附通风气流组织为提高通风能量利用效率、改善室内空气品质提供了一种新途径。
１．４ 地下厂房串联直流式通风系统
一些水电站如三峡地下水电站、景洪水电站、拉西瓦水电站、乌东德水电站等均由发电机层、水轮机层、母线层、蜗壳层、母线洞、主变洞等组成。串联直流式气流组织的一般流程为：室外空气从专用进风洞或交通洞进入厂内空调机房，经空气处理机组处理后通过主厂房顶拱送风道向主厂房发电机层送风。送风气流在排风系统的抽吸作用下，通过厂内设计的排风路径，沿途经发电机出线层、水轮机层、母线洞、主变洞及各层副厂房，吸收上述各部位热湿负荷后经排风洞排至厂外（见图２）。为保持厂内正压，设计排风量小于设计送风量，多余
４ 暖通空调ＨＶ＆ＡＣ ２０１５年第４５卷第２期
水电暖通空调技术与工程设计
图２ 地下厂房串联直流式通风
的风量通过进厂交通洞正压排出。对于电站所在地夏季室外通风温度较低的情况，直流式通风系统送风气流不需要冷却处理，仅需过滤处理后直接送入厂内进行上述直流式通风流程。值得注意的是，主厂房封闭吊物孔、安装接力风机与开启吊物孔、未安装接力风机气流组织有一定差别。从试验结果及实践来看，封闭吊物孔、安装接力风机气流组织效果较好，应优先采用。
２ 水电工程通风空调气流组织模型设计
水电工程通风空调气流组织模型试验旨在验证发电机层机械通风设计方案的运行效果和可靠性，测定厂房气流流态、工作区风速及不同送风方式下厂房的温度和速度分布，同时确定最佳送风口方案、数量和尺寸规格等，并提出气流组织设计改进方案或建议，以便于进一步完善和优化。数据处理采用量纲一化处理方法，满足本试验要求的同时也为同类型水电站通风设计提供理论参考。２．１ 气流组织模型试验拟解决的关键技术点气流组织模型试验的目的为：研究气流组织发展过程的规律性，查明这些送风模式下空气流动与传热过程及送风速度、温度、房间体量、风口结构的影响，确定厂房气流流动与换热的规律及通风效果；获得该通风模式的温度效率、能量利用率；为设计、工程应用提供理论依据。气流组织模型试验主要关键技术点如下：
１）水电工程高大地下厂房气流组织模式适应性：送风速度的影响；送风温度的影响；房间体量，如高度等的影响；送风口的位置及尺寸的影响。
２）机电设备热源对通风模式流动与换热、通风效果的影响：送风的流动与换热过程；热源自由及受限热羽流扩散基本模式的流动与换热过程；通风模式通风效果（消除余热）分析方法。
３）气流组织模式的设计原则与设计方法：通风模式适用性分析；通风模式温度效率或能量利用率分析；通风模式设计原则、设计方法。
２．２ 模型试验理论及相似比例尺
模型试验的基本理论依据是相似三定律，根据试验获得量纲一准则形式的关联式。模型试验及其装置设计的理论依据———相似性原理要求模型流动与原型流动的力学相似，包括：几何相似、运动相似及动力相似。其中，运动相似是模型试验的目的，几何相似是动力相似的前提条件，动力相似是运动相似的保证［７－９］。几十年来，国内外地下水电站通风气流组织模型试验积累了较多经验。建立合适的试验模型需要考虑合理的模型简化、最大限度地保证试验的科学性和实际测试操作的可行性等。相似三定律表明，对于不可压缩流体，模型与原型流场相似，要求模型和原型的欧拉数（Ｅｕ）、雷诺数（Ｒｅ）和弗劳德数（Ｆｒ）分别相等。根据水电站地下主厂房热工特点，通风以排除余热为主要目的，送风气流为非等温射流，受温度不同所产生的射流和周围空气密度差异的影响，表现为重力和浮力不平衡，有效重力就是重力和浮力之差。阿基米得数实质上是修正的弗劳德数，模型试验设计就是在保证雷诺数处于自模区的前提下，按照模型与原型的阿基米得数相等设计模型。
欧拉数（Ｅｕ）、弗劳德数（Ｆｒ）、雷诺数（Ｒｅ）三者之间存在函数关系：
Ｅｕ＝ｆ（Ｒｅ，Ｆｒ）（１） 原型和模型只要Ｆｒ和Ｒｅ分别相等即实现了动力相似，从而在模型中也实现了和原型相似的流动。原型和模型的Ｆｒ和Ｒｅ分别相等，在实际过程中往往很难实现。自模区的概念为解决这一问题提供了依据和方法。大量的试验研究发现，Ｒｅ在一定范围内变化时，并不引起Ｅｕ的变化，此时，式（１）可简化为
Ｅｕ＝ｆ（Ｆｒ）（２） 这时原型和模型的动力相似只需保证Ｆｒ相等。另一个概念是“近似模型”或“近似相似”。如果Ｒｅ或Ｆｒ在一定范围内变化，所引起的Ｅｕ的变
２０１５（２）李安桂，等：水电工程地下高大厂房通风空调气流组织及缩尺模型试验进展５
化或所研究的量纲一参数的变化没有超出工程实际允许的范围，则可以不考虑这个相似特征数变化的影响。
水电站厂房气流组织模型试验可分为冷态试验和热态试验。冷态试验过程中，模型内不设置热源，通常选取Ｒｅ作为模型律。而热态试验，模型内设置热源，送风温度低于模型内的气温，送风气流属于非等温射流，故采用Ｆｒ的变形———阿基米得数Ａｒ作为模型律。
Ａｒ＝ｇ
ｄ０ΔＴ０ｕ２
０
Ｔｕ（３
）式中 ｇ为自由落体加速度，ｍ／ｓ２
；ｄ０为进风口直
径，ｍ；ΔＴ０为风口气流与室内空气的温差，Ｋ；ｕ０
为风口出风速度，ｍ／ｓ；Ｔｕ为室内空气热力学温度，Ｋ。
由Ａｒｍ＝Ａｒｎ
（４
）得
Ｃｇ
ＣｌＣΔＴ０Ｃ２
ｕ０ＣＴｕ
（５）式（４），（５）中 下标ｍ，ｎ分别表示实际工况和模型工况；Ｃｇ为自由落体加速度相似比例尺；
Ｃｌ为长度相似比例尺；ＣΔＴ０为温差相似比例尺；Ｃｕ０为速度相似比例尺；ＣＴｕ为温度相似比例尺。
自由落体加速度是常数，即Ｃｇ＝１。模型与原型送风气流热力学温度相似比例尺ＣＴｕ≈１。为了
对比和计算方便，一般取温差比例尺ＣΔＴ０＝１。
因此，得出
速度相似比例尺Ｃｕ０
＝Ｃ１
２ｌ风量相似比例尺ＣＱ＝Ｃｕ０Ｃ２ｌ
＝Ｃ５
２ｌ热量相似比例尺Ｃｑ＝Ｃ
ＱＣΔＴ０＝Ｃ５２
ｌ几何相似比例尺一经确定，其他相似比例尺也就随之确定，但几何相似比例尺的确定还受到雷诺数自模区的制约。以几何相似比例尺１∶２０为例，根据相似理论确定试验模型速度相似比例尺、温度相似比例尺、热量相似比例尺、风量比例尺等，见表
１［３］
。
表１ 试验模型的相似比例尺
几何比例尺温度比例尺速度比例尺风量比例尺热量比例尺１∶２０
１∶１
１∶４．５
１∶１ ７８９ １∶１
７８９２．３ 模型设计问题
模型试验研究表明，如采用接触式测量系统，模型本体可以按比例选用钢制、木制或砖石砌成，同时内外应辅以保温材料，其厚度根据计算确定。
试验模型结构设计如图３所示，试验模型见图４
。
图３
试验模型结构设计
图４ 水电站地下厂房气流组织试验模型
按照几何相似比例尺设计制作模型本体，应该确保模型的净空间尺寸与原型相似。外表面两板之间添加聚氯乙烯保温材料，以减少壁面传热；发电机层的层高较高，与外界接触面积大，为满足试验条件要求，在顶部静压箱和发电机层外表面可另加１层保温层。为了观察方便，模型各层下游侧均设有透明玻璃观察窗，并安装可移动聚氯乙烯保温层。为防止漏风，所有测量孔口均采用橡皮塞封紧。
水电站厂房宜按模型律进行热态相似模型试验。一般分为３个阶段（夏季、过渡季、冬季）进行试验。
概括而言，水电站厂房模型试验设计中值得注意的有以下几点：
１
）近年来的流体力学研究发现，通过在试验流体介质中加入微量元素，可以改变流体的动力黏
６ 暖通空调ＨＶ＆ＡＣ ２０１５年第４５卷第２期水电暖通空调技术与工程设计
度，这一特点可以尝试用于相似设计中。
２）如果在试验中同时考虑对流换热和辐射换热的因素，则满足相似准则变得十分困难。
３）以前研究多是基于稳态气流组织设计，如果计入动态时间变化因素，则量纲一特征数增加相关时间准则量，这方面的模型试验是一项有待于进一步研究的挑战性工作。
４）气流组织研究一般可以不计入墙体传热（冷）或者“冷桥”的影响。换言之，可以按墙体绝热设计试验。但是，由于工程中墙体传热（冷）或者“冷桥”是客观存在的，而且试验模型的设计也难以做到完全绝热设计，因此在分析试验数据时要注意考虑其影响程度。
５）综合考量测试仪表精度、模型经济性等，水电站厂房模型试验几何相似比例尺一般可以取１∶５０～１∶１０。对于一般接触式测量如热电偶测温、风速探头测速等建议取１∶２０～１∶１０；而对非接触式测量如激光风速测试几何相似比例尺可以取１∶５０［１０］。
鉴于我国水电站建设数量、规模居世界第一，国际上对水电站气流组织等方面的模型试验可能以我国的研究为最多。我国水电站模型试验始于２０世纪６０年代渔子溪水电站横向均匀送风模型试验。７０年代运用模拟相似准则和模化试验理论对安砂水电站厂房进行了气流模型试验。之后，三峡、葛洲坝、龙羊峡、龙滩、李家峡等水电站均针对不同的气流组织进行了模型试验。工程实践表明，模型试验能科学地反映实际的气流流态和速度场，对合理确定复杂、高大水电站通风空调气流组织方案能起到重要的指导性作用。此外，也开展了水电站坝体廊道、尾水洞引风模型试验研究［１１］①。表２介绍了国内一些典型水电站通风气流组织模型试验概况。
２．４ 水电厂房火灾排烟模型试验
火灾排烟是一类特殊的通风问题。近年来我国开展了“水电站地下洞室群火灾模拟与火灾风险控制关键技术”等试验研究。通过大量理论分析、数值模拟与模型试验研究，获得了水电站主厂房火灾发生时排烟口位置、火源强度、储烟池效应、竖向烟气温度、自然排烟效果、风机延迟等工况下主厂房烟气自由填充特点及烟气的运动特性和温度场、浓度场、可见度场等的变化规律。提出了火源强度、火灾烟羽流中心温度、排烟量等设计参数指标。通过对母线洞烟气特性的研究，给出了预测母线洞内的烟气沉降速度、烟气层高度、洞内温度的变化规律。发现不同火源在发电机层中心或者在端部时，会出现两种不同的烟气填充方式：主变室呈现典型有限空间热射流流动，母线洞呈现狭长洞室有限空间热流动规律性。对水电站重大风险源辨识及安全监控技术进行了研究，提出了水电站火灾定量风险评价策略，建立了火灾风险分析评价模型。这些成果已成功应用于鲁地拉水电站设计及ＳＬ ３２９—２００５《水利水电工程设计防火规范》、ＤＬ／Ｔ ５１６５—２００２《水力发电厂厂房采暖通风与空气调节设计规程》的修订和ＧＢ ５０７０６—２０１１《水利水电工程劳动安全与工业卫生设计规范》的编制中。表３总结了国内水电站火灾排烟模型试验情况。
３ 关于模型试验测量ＰＩＶ技术
进入２１世纪，随着科学技术和计算机技术的
表２ 国内典型水电站通风气流组织模型试验概况
试验时间水电站名称总装机容
量／ＭＷ
研究对象几何尺寸／ｍ送风形式几何相似
比例尺
试验类型主要结论
２００８年呼和浩特抽水
蓄能水电
站［１２－１５］１ ２００主厂房１５２×２５×５０顶拱下送，串
联通风
１∶２０热态试验发电机层能量利用系数随风口方案变化明显，主要与风口类型和位
置有关；发电机层温度不均匀系数和速度不均匀系数主要受风速
（量）影响；对母线层和水轮机层，采用机械送风时，增强工作区送
风气流的扰动能力，冷热气流混合均匀，效果优于压差送风
１∶５０ ２Ｄ－ＰＩＶ
热态试验
发电机层送风速度提高使相邻两股射流汇合点的位置升高，射流
间的速度增大，改善了气流分布的均匀性，但速度过高会导致工
作区风速偏大；通过对比试验验证了１∶５０模型试验的可行性
２００３年琅玡山抽水蓄
能电站［１６］６００发电机层１３３．３×２１．５×
２０．０
顶拱送风１∶１８热态试验送风口布置数量对工作区的平均温度和速度没有太大的影响，影
响的只是工作区温度和速度分布的均匀性
２０００年三峡水电
站［１７］９ ８００发电机层６４３．７×３９×
３８．７
双侧中送下排１∶１１热态试验发电机层采用分层送风气流组织。送风喷口形式、风口布置位置
对发电机层工作区的温度分布有较大影响
１９９９年百色水电
站［１８］５４０发电机层１２１．２×１８．０×
１５．５
顶拱下送，多
层串联
１∶１０热态试验发电机发热量变化对温度效率影响显著，机盘柜设备发热量变化
对温度效率影响较不明显
①王易军，戴章艳，党义荣，等．景洪水电站坝体廊道引风降温效应模型试验及ＣＦＤ模拟研究报告．西安建筑科技大学，２００７
２０１５（２）李安桂，等：水电工程地下高大厂房通风空调气流组织及缩尺模型试验进展
７
续表
试验时间水电站名称总装机容
量／ＭＷ
研究对象几何尺寸／ｍ送风形式
几何相似比例尺
试验类型
主要结论
１９９６年小浪底水电站①
１ ８００发电机层６
１×２５×１６．９下部送风，顶拱排风
１∶１３热态试验水电站地下主厂房采用下部送风、顶拱排风设计方案有利于排除
发电设备产生的大量余热１
９９５年李家峡水电站［１９］２
０００双排机厂房１
２５．０×５１．０×２１．５双侧中送下排１∶１５热态试验主厂房机械送风系统，夏季应以发电机层送风为主；冬季则以电缆层送风为主，发电机层以满足供暖热负荷及保持室内正压为前提确定送风量
１９９３年
洪家渡水电站②５８０
发电机层
９３．７×１９×２０．４顶拱垂直送风
端部送风１∶１６热态试验
顶棚送风时，风口数量和分布对工作区的风速大小和均匀性影响显著；端部送风时，在同样送风风量和送风风速的情况下，两端送风工作区流速比一端送风的工作区流速高
１９９２年天荒坪抽水蓄能电站③１
８００发电机层２００×２０×１８顶部垂直送风，上回下排
１∶１０热态试验
顶送风方式工作区风速均匀性优于侧送方式；厂房内空气温升与厂房换气次数成反比；要通过提高温差起到升温降湿效果，则应减少换气次数
１９９２年十三陵抽水蓄
能电站［
２０］８００发电机层
１４５．０×２３．０×１６．５
端部送风，多层串联１∶１８．３冷态试验
热态试验
水电站主厂房长度不超过厂房高度的３．５倍时，可采用一端纵向送风；不超过厂房高度的７倍时，可采用两端纵向送风。长度明显大于主厂房高度的７倍时，若采用纵向送风方式，需有特殊的
技术措施。冷态模型研究水电站主厂房纵向送风，结果与原型
偏差明显
１９９１年龙滩水电站④５ ４００主机洞１
８５×２９×３３．８单侧送风双侧
送风
１∶２０热态试验双侧送风的热分配系数小于单侧送风；双侧送风的工作区速度和温度的均匀性优于单侧送风
１
９９０年二滩水电
站［２１］⑤３
３００发电机层
２４３×２５．５×２１．６厂房入口进风端部送风吊顶送风
１∶２
０热态试验
３种送风方式相比，
吊顶送风效果好，且只需在每台机组上方的吊顶上布置１个风口即可１９８９年水口水电站
１
４００发电机层
２
７０×３２×２７上、下游侧相对射流送风，“相搓”气流１∶２５
冷态试验
增加上、下游两送风口高差时，能增大旋转气流作用（“搓动”作
用）
，减少死角区；下射流不宜采用条缝形风口１９８７年东风水电站⑥５１０主机洞
１
０５×１８．２５×２８．３端部送风
１∶１
５冷态试验
两端送风气流比一端送风更均匀；一端１个风口送风，速度衰减
慢，其次是一端２个风口，两端送风轴心速度衰减较快１
９８４年葛洲坝大江
电站⑦１
７５０发电机层
４９４．２×２５．８×２９．０分层空调（双
侧对喷、下部回风）１∶５热态试验
与单侧送风分层空调相比，双侧送风射程短，垂直落差小，所以送风口高度（分层高度）可以低一些，节能效果更好１９８１年大化水电站⑧４００发电机层１０２×２３×２２扇形送风１∶１５冷态试验相邻扇形喷嘴所形成的射流出现交叉现象，合流前，最大流速出现在各自射流中，逐渐合流，速度加大，直至出现最大速度，而后衰减
１
９８１年龙羊峡水电站⑨１
２８０发电机层
１４０．５×２３×２３．４
端部送风
１∶２
０冷态试验
长度大于１００ｍ的厂房，一端送风不能满足室内气流的要求；
两端射流送风时，每股气流的射流最大横截面积和距各自送风口的距离与单股射流相同
１９７７年白山水电站⑩
９００
主厂房、母线洞、变电站、开关站等横向高速射流１∶２
０冷态试验
热态试验冷态试验可以近似反映实际情况，在不需要了解室内温度场的情况下，仅做冷态模型试验就可以满足工程需要１９７６年葛洲坝二江
电站９
６．５发电机层３２７×２５．８×２２分层空调１∶２０冷态试验大空间采用分层空调方式能有效地减少空调冷负荷，空气幕气流对上下部空间起着关键作用
１９７５年
安砂水电站
１１５
发电机层
５
８×１７×１４纵向高速射流
多层串联
１∶１
５冷态试验
发电机层楼板孔口的布置对发电机层流态无明显影响，但对下层串联通风的气流组织影响较大
①完强．小浪底水电站地下厂房气流组织模化试验．水电站厂房通风模拟试验资料文集，１
９９７：１１７－１２１②李鸿仪．洪家渡水电站地下厂房气流组织模型试验．水电站厂房通风模拟试验资料文集，１
９９７：９６－１０８③孙以华．天荒坪抽水蓄能电站厂房通风模型试验．水电站厂房通风模拟试验资料文集，１
９９７：９０－９５④贺婷婷．龙滩水电站主厂房通风模型试验．水电站厂房通风模拟试验资料文集，１
９９７：７４－８２⑤付祥钊，赵鸿寿．二滩水电站地下主厂房气流组织模型试验．水电站厂房通风模拟试验资料文集，１
９９７：６５－７３⑥贺婷婷．东风水电站主厂房通风模型试验．水电站厂房通风模拟试验资料文集，１９９７：５３－５９
⑦吴云翔．葛洲坝大江电站发电机层空调送风方案模型试验．水电站厂房通风模拟试验资料文集，１
９９７：４４－５２⑧孙以华．大化水电站主厂房扇形射流模型试验．水电站厂房通风模拟试验资料文集，１
９９７：３６－４３⑨戴庆山，丁季芳．龙羊峡水电站主厂房端部送风冷态模型试验试验小结．西安冶金建筑学院，１９８１⑩
胡凤山．白山水电站厂房通风模型试验．水电站厂房通风模拟试验资料文集，１
９９７：２１－２
９吴云翔．葛洲坝二江电站厂房分层空调冷态模型试验．水电站厂房通风模拟试验资料文集，１
９９７：１２－２
０孙以华．安砂水电站厂房通风纵向高速射流高层串联模型试验．水电站厂房通风模拟试验资料文集，１
９９７：３－１１普及和发展，模型试验进入一个新的飞跃发展阶段。ＰＩＶ技术即粒子图像测速技术，是在传统流动显示技术基础上，利用图形、图像处理技术发展起来的一种新的流动测量技术，不但能够获得平面流
场显示的整体结构和瞬态图像，而且具备了单点测量技术的精度和分辨率，也为试验数据的计算机处理提供了方便。
２
Ｄ－ＰＩＶ技术能够深入洞察水电站厂房流场内
８ 暖通空调ＨＶ＆ＡＣ ２０１５年第４５卷第２期水电暖通空调技术与工程设计
表３ 国内典型水电站火灾排烟模型试验情况
试验时间水电站名称总装机容
量／ＭＷ研究对象几何尺寸／ｍ送风形式几何相似比例尺试验类型主要结论
２０１０年
鲁地拉水电
站［
２２－２６］２
１６０主厂房，母线洞，主变室２５８×２４×６２烟气自然填
充，机械排烟
１∶１２１∶５０热态试验，２
Ｄ－ＰＩＶ
测试，烟气可视化火源强度、机械排烟量对烟气及有毒气体蔓延的影响较大；对于主厂房，补风口位置不同对火灾烟气分布的影响程度不同
１
９９３年单主变压器室系统排烟阻力系数
［２７］４０．０×１０．０×１４．０
１∶１２
冷态试验
夹墙不满足局部损失的规律；由于烟气扩散至顶拱又急剧拐弯经突缩挤入排风管，形成复杂流动，因此，顶拱到排风管构成了特殊的局部阻碍
１９９３年１ ２１０主变室［
２７］１９０．０×２０．０×
２４．２
水平送风１∶１５热态试验
主变器冷却器风扇出口加装导流叶片，运输道侧墙引风降温，降低主变压器冷却器进口管外空气温度
部结构，特别是滞留区的流动状态。例如，在呼和浩特抽水蓄能电站地下厂房通风模型试验中，地下主厂房分别采用１∶５０和１∶２０两种比例通风模型进行２Ｄ－ＰＩＶ试验（试验结果见图５），对试验结果进行比较分析，验证了２Ｄ－
ＰＩＶ技术在水电站通风空调模型研究中的适用性［１０，２８
］，解决了２Ｄ－
ＰＩＶ在研究室内流场中示踪气体释放浓度、拍摄时间间隔设置等
关键问题［２９－
３０］，为水电站气流组织２Ｄ－
ＰＩＶ试验研究提供了较完善的参考资料。也说明了模型流态完全进入雷诺第二自模区，采用２Ｄ－ＰＩＶ技术可以实现对流场的无接触式测量，并可获得平面流场的令人满意的整体结构和瞬态图像
。
注：ｖ，ｖ０分别为模型和原型的送风速度；Ｑ，Ｑ０分别为模型和原型的设备发热量。
图５ 不同工况下２Ｄ－
ＰＩＶ拍摄断面流线矢量图 此外特别指出，
现场测试也可以看作是比例尺为１∶１的一种特殊的模型试验。通过对已建水电站通风空调气流组织的现场测试，既可以校验模型试验或数值试验，也为今后类似水电站建设提供多角度参考资料。
４ 结语
多年来我国水电暖通空调技术取得了一系列重要进展，推动了水电站地下厂房环境调控与节能技术的发展与进步。本文主要阐述了我国近年来水电站模型试验的研究工作。水电站通风空调厂房气流组织模型试验、现场测试及ＣＦＤ数
值模拟等研究方法具有互补性。无论是模型试验还是数值计算都需要确定区域边界条件，包括热源边界条件、送排风边界条件和壁面边界条件。在保障水电工程高大厂房气流组织设计效果方面，水电站通风空调模型试验研究方法成为水电暖通设计的重要手段和工具。通过本文总结，为国内外同行了解我国水电站暖通空调模型试验研究进展提供参考。
５ 致谢
本文撰写参考了各单位水电站厂房通风模拟试验等水电暖通设计研究资料，特此鸣谢。
２０１５（２）李安桂，等：水电工程地下高大厂房通风空调气流组织及缩尺模型试验进展９
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